大型低温液体火箭“零窗口”发射技术.pdf
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1、第7卷 第4期2 0 2 3年7月宇航总体技术A s t r o n a u t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yV o l.7N o.4J u l y2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 7 修订日期:2 0 2 3-0 7-0 6作者简介:钟文安(1 9 7 0-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为运载火箭测试发射任务组织管理和技术总体。E-m a i l:3 3 3 8 3 9 9 2q q.c o m大型低温液体火箭“零窗口”发射技术钟文安1,李智斌1,廖国瑞1,黄 兵2,张树杰2
2、(1.西昌卫星发射中心,文昌5 7 1 3 0 0;2.北京宇航系统工程研究所,北京1 0 0 0 7 6)摘 要:我国大型低温液体运载火箭组成系统多、各系统耦合关联程度大、射前流程复杂,实现“零窗口”发射难度大。基于大型低温液体运载火箭的系统特点和射前约束条件,提出了实现“零窗口”发射的技术方案。通过能力挖潜主动拓展了任务故障适应性和窗口宽度,并辅以科学的测试发射策略,将技术和流程相结合,共同实现大型低温运载火箭“零窗口”发射目标。这对全面提升大型运载火箭和发射场“零窗口”发射能力、适应未来航天发展需求具有十分重要的意义。关键词:大型低温液体火箭;零窗口发射;窗口主动拓展 中图分类号:V 1
3、 9文献标志码:A文章编号:2 0 9 6-4 0 8 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 9-0 6Z e r oW i n d o wL a u n c hT e c h n o l o g yo fL a r g eC r y o g e n i cL i q u i dR o c k e t sZ HON G W e n a n1,L IZ h i b i n1,L I AOG u o r u i1,Z HAN GS h u j i e2,HUAN GB i n g2(1.X i c h a n gS a t e l l i t eL a u n c hC e n t e r,W
4、e n c h a n g5 7 1 3 0 0,C h i n a;2.B e i j i n gI n s t i t u t eo fA s t r o n a u t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n g,B e i j i n g1 0 0 0 7 6,C h i n a)A b s t r a c t:T h e l a r g ec r y o g e n i cl i q u i dr o c k e t so fC h i n aa r ec o m p o s e do fm u l t i p l es y s t e m s
5、,w i t hah i g hd e g r e eo f c o u p l i n ga n dc o r r e l a t i o nb e t w e e ne a c hs y s t e m,a n dac o m p l e xp r e-l a u n c hp r o c e s s,m a k i n g i td i f f i c u l tt oa c h i e v ez e r ow i n d o wl a u n c h.B a s e do nt h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e-
6、l a u n c hc o n s t r a i n t so f l a r g ec r y o g e n i c l i q u i dr o c k e t s,at e c h n i c a l s c h e m e i sp r o p o s e dt or e a l i z ez e r ow i n d o wl a u n c h,a c t i v e l ye x p a n d s t h em i s s i o n f a u l t a d a p t a b i l i t ya n dw i n d o ww i d t ht h r o u g
7、 hc a p a b i l-i t ye x p l o i t a t i o n,a n ds u p p l e m e n t e db ys c i e n t i f i ct e s tl a u n c hs t r a t e g i e s,c o m b i n e st e c h n o l o g ya n dp r o c e s st o j o i n t l y r e a l i z e t h e z e r ow i n d o wl a u n c ho f l a r g e c r y o g e n i c l i q u i d r o
8、c k e t s.I t i s o f g r e a t s i g-n i f i c a n c et oc o m p r e h e n s i v e l ye n h a n c et h ez e r ow i n d o wl a u n c hc a p a b i l i t yo f l a r g ec r y o g e n i cl i q u i dr o c k e t sa n d l a u n c hs i t e s,a n dt om e e t t h e f u t u r es p a c ed e v e l o p m e n tn e
9、 e d s.K e yw o r d s:L a r g ec r y o g e n i c l a u n c hv e h i c l e;Z e r ow i n d o wl a u n c h;A c t i v ew i n d o we x p a n s i o n0 引言航天运载工具是一个国家进入空间的主要手段,是和平利用空间的基本条件和前提。“火箭的运载能力有多大,航天的舞台就有多大”,运载火箭的使命就是要把有效载荷准确送入“舞台”的预定位置1。受限于火箭自身的运载能力、地球自转的客观条件、风雨雷电等环境约束以及有效载荷的特殊要求,运载火箭始终将“零窗口”发射作为系统方
10、案设计和测试发射流程制定的重要目标。所谓“零窗口”发射是指运载火箭在完成发射准备阶段的所有工作后的实际点火时间与预先 宇航总体技术2 0 2 3年7月确定的点火时间分秒不差。运载火箭的组成系统多,各系统耦合关联程度大,射前测试发射流程复杂,制约实现“零窗口”发射目标的不确定性因素贯穿整个发射流程。尤其对于大型低温液体运载火箭,想要实现“零窗口”发射难上加难。首先,低温液体运载火箭加注发射准备阶段工作项目多,尤其是低温动力系统在射前要完成低温推进剂加注、发动机预冷、贮箱增压和气液连接器脱落等工作,每一项工作都由若干个环节组成。环节多意味着不确定因素多,其中只要有一个环节出现问题,就可能制约运载火
11、箭准时发射。太空发射系统(S p a c eL a u n c hS y s t e m,S L S)在执行阿尔忒弥斯一号(A r t e m i s-1)任务时,就因为芯级发动机预冷异常、液氢加注连接器泄露等问题两次推迟发射2。其次,低温推进剂加注后,运载火箭的可逆性变差,一旦某个系统或某个环节出现故障,故障处置需在狭小空间、低温、易燃易爆环境下进行,处置手段极为受限,因此故障一旦发生,运载火箭极大可能要推迟发射或中止发射。太空探索技术公司星舰(S p a c e XS t a r s h i p)首飞就因为射前增压阀门被冻住而不得不中止发射流程。因此,大型低温液体运载火箭实现“零窗口”发射
12、受制约的因素很多。为了实现这一目标,需要在最初方案设计阶段就要考虑到可能出现的故障模式,采取适当的技术方案尽量规避,通过能力挖潜主动拓展任务故障适应性和窗口宽度3,并且在发射准备阶段要制定科学的测试发射流程4,通过技术和流程的 结 合 共 同 实 现 大 型 低 温 运 载 火 箭“零 窗 口”发射。本文首先分析了大型低温液体运载火箭射前特点和约束,然后针对实现“零窗口”发射的技术方案、发射窗口主动拓展技术和测试发射策略进行分析总结,对全面提升我国航天发射能力、适应未来航天发展需求具有十分重要的意义。1 大型低温液体运载火箭射前特点和约束要实现大型低温液体运载火箭“零窗口”发射目标,要先分析大
13、型低温液体运载火箭“零窗口”发射有哪些特点和受哪些因素制约,从而有针对性地制定技术方案和测试发射流程。1.1 射前流程制约因素射前进入加注发射流程后要顺序完成低温推进剂加注、发动机预冷、射前增压和气液连接器脱落等工作,主要有以下3个方面的特点:1)各系统间、同一系统各模块间的指挥操作与口令交互密集,一旦出现故障需并行开展正常测发动作和故障应急处置,指挥操作难度大。2)各系统工作环环相扣、紧密关联、耦合复杂,相互制约,一旦某系统出现故障必然影响其他系统正常动作的执行。且受低温环境和狭小空间限制,故障处置时间和手段受限,不利于“零窗口”发射目标的实现。3)射前关键动作临近点火时刻,如关闭加注阀、贮
14、箱增压和气液连接器脱落等。故障发生的时刻越靠近点火时刻,应急处置越紧张,甚至没有时间进行应急处置,很有可能错过发射窗口。1.2 地面设备设施制约因素液体运载火箭加注发射离不开地面设备设施的支撑保障。为保障“零窗口”发射,设备设施可靠性起着决定性作用。加注发射作为测试发射的关键时段和关键节点,有着不同于分系统、总检查等测试时段的特点,出现故障后不仅影响测试发射流程的顺利进行,甚至会出现低温推进剂泄漏、压力容器超压等重大安全风险。随着高密度任务常态化进行,地面设备设施的运行负荷大幅度增加,其可靠性直接制约任务保障能力,需要重点关注。1.3 发射气象条件制约因素在世界各国的航天发射过程中,都要严格遵
15、守“火箭发射天气标准”的规则。这套规则规定了“对发射场区雷电、降水、浅层风和高空风”的指标要求,发射时不满足任何一条就必须推迟火箭的发射5。气象条件最恶劣的文昌航天发射场位于海南省文昌地区,此地为热带海洋性季风气候,发射场区多雷电、局地短时强降水、浅层风、高空风风向多变等天气现象,天气复杂难报。若场区气象保障不力,天气预报不准确,会给射前流程带来重大影响,妨碍“零窗口”发射目标的实现。S p a c e X“猎鹰”火箭就多次因为天气原因而推迟发射。1.4 组织指挥制约因素组织指挥涵盖射前全过程,正确的组织指挥是确保“零窗口”发射的关键6。进入射前流程后,组织指挥需统筹各分系统按阶段完成相应工0
16、1 第4期大型低温液体火箭“零窗口”发射技术作,因程序复杂、动作多、可靠性要求高的特点,各分系统、各产品设备的工作时段及相互之间的配合都有严格要求,如果稍有误差就会造成大系统的工作紊乱。射前流程如遇故障,可供决策讨论的时间很短,故障发生后各系统、各岗位人员还需协同配合、准确操作,使应急处置的过程更加高效顺畅。2“零窗口”发射技术方案为最大限度适应大型低温液体运载火箭射前约束条件,首先需要选取恰当的技术方案。对大型低温运载火箭来说,低温动力系统最为复杂,在发射日需要完成的准备工作最多,因此低温动力系统技术方案选取至关重要。低温动力系统在射前的工作重点是完成低温推进剂加注和发动机系统预冷。除箭上系
17、统需要高可靠工作外,同时需要地面设备设施的配合,主要包括连接器、配气台和地面加注设备等。这些地面设备设施通过箭地之间的接口实现对火箭的发射支持。针对此特点,实现大型低温运载火箭“零窗口”发射技术需要着重解决低温动力系统的预冷技术、高可靠箭地低温管路涌泉抑制技术、统一供配气与零秒脱落连接器技术、配气台冗余技术和地面加注技术。2.1 低温动力系统预冷技术为了保证低温发动机的正常启动,在点火前需要对发动机进行充分预冷7。低温发动机的预冷方式直接决定了火箭射前操作程序和箭地接口的复杂性。目前,国内外低温发动机常用的预冷方式有浸泡预冷、排放预冷、循环预冷8-9。通过综合比较发现,循环预冷技术方案较排放预
18、冷技术方案箭地连接关系简单,无需配置排放连接器和排放管路,大大简化了箭地接口,也简化了射前操作流程,消除了射前极易出现问题的连接器泄漏、脱落故障等风险。同时循环预冷是一种主动预冷方式,较浸泡预冷更容易满足低温发动机苛刻的预冷条件。因此,在箭上空间和系统复杂度可接受的条件下,采用循环预冷技术有利于实现大型低温液体运载火箭“零窗口”发射。2.2 高可靠箭地低温管路涌泉抑制技术大型低温液体运载火箭往往具有大长细比输送管,在液氧加注结束后,距离点火时刻还往往有一段停放时间。在停放过程中,箭上低温管路和地面低温管路相通,如果低温管路中的液氧处于静止不流动的状态,尽管管路进行了外绝热处理,仍然会有环境漏热
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